книги / Подходы к оценке безопасности наноматериалов

УДК 504.06 А74

Рецензенты:

д-р техн. наук, профессор С.Е. Порозова (Пермский государственный технический университет);

д-р физ.-мат. наук, профессор Л.В. Спивак (Пермский государственный университет)

Анциферова, И.В.

А74 Подходы к оценке безопасности наноматериалов: учеб. пособие / И.В. Анциферова, А.И. Зенков, О.В. Сомов. – Пермь: Изд-во Перм. гос. техн. ун-та, 2010. – 85 с.

ISBN 978-5-398-00560-8

Рассмотрена основная классификация наноматериалов и типов их структур, особенности свойств и основные направления использования наноматериалов.

Освещено нынешнее состояние в области изучения безопасности наноматериалов и нанотехнологий, предложено применение оценки жизненного цикла продукции, что в ходе изучения физикохимических, токсикологических свойств продуктов нанотехнологий, экологических последствий и собственно нанотехнологических процессов позволит оценить потенциальный вред наночастиц для здоровья и экологии.

Предназначено для студентов старших курсов, магистров и аспирантов, обучающихся по специальностям «Материаловедение и технологии новых материалов», «Металловедение и термическая обработка металлов», «Порошковая металлургия и композиционные материалы», «Нанотехнологии». Может быть полезно для научных работников, преподавателей и инженерно-технических работников, специализирующихся в области наук о материалах.

5.ОЦЕНКА ПОТЕЦИАЛЬНОЙ ОПАСНОСТИ НАНОМАТЕРИАЛОВ………………………………………….…69

6.УПРАВЛЕНИЕ РИСКАМИ……………………………………….79

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ…………………………………………….83

3

Введение

Одним из приоритетных направлений развития современного материаловедения являются наноматериалы и нанотехнологии.

К наноматериалам условно относят дисперсные и массивные материалы, содержащие структурные элементы (зерна, кристаллиты, блоки, кластеры), геометрические размеры которых хотя бы

водном измерении не превышают 100 нм, и обладающие качественно новыми свойствами, функциональными и эксплуатационными характеристиками. К нанотехнологиям относят технологии, обеспечивающие возможность контролируемым образом создавать и модифицировать наноматериалы, а также осуществлять их интеграцию в полноценно функционирующие системы большего масштаба.

Среди основных составляющих науки о наноматериалах и нанотехнологиях можно выделить: 1) фундаментальные исследования свойств материалов на наномасштабном уровне; 2) развитие нанотехнологий как для целенаправленного создания наноматериалов, так и для поиска и использования природных объектов с наноструктурными элементами, создание готовых изделий с использованием наноматериалов и интеграция наноматериалов и нанотехнологий

вразличные отрасли промышленности и науки; 3) развитие средств

и методов исследования структуры и свойств наноматериалов, а также методов контроля и аттестации изделий и полуфабрикатов для нанотехнологий.

Благодаря нанотехнологиям становятся доступны такие вещи, о которых прошлое поколение могло только мечтать. Однако правительства, которые вкладывают в наноматериалы миллиарды долларов, проявляют ничтожно мало внимания к исследованию их опасности. Многие ученые говорят не только о возможных выгодах в применении нанотехнологий, но и о рисках. Наночастицы легко проникают через кожу, дыхательные пути, желудочно-кишечный тракт, взаимодействуют друг с другом, приобретая непредсказуемые свойства.

4

Характеристика потенциального риска наноматериалов для здоровья человека и среды обитания необходима. Экотоксилогические свойства наноматериалов и связанные с ними риски должны оцениваться в каждом отдельном случае. Предложенную нами методологию оценки риска методом анализа жизненного цикла продукции возможно использовать для оценки риска воздействия наночастиц на человека и окружающую среду. В то же время существующая методология оценки риска требует некоторой модификации, так как в настоящее время нежелательно применять только одну форму оценки. Большое внимание следует уделить созданию информационных ресурсов по безопасности наноматериалов.

5

1.ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА НАНОТЕХНОЛОГИЙ

Впоследнее время термин «нанотехнология» (сокращенно – «нанотэк») стал очень популярным. Он объединяет разнородные представления и подходы, а также разные методы воздействия на вещество. Название новой науки возникло в результате добавления

квесьма общему понятию «технология» приставки «нано-», означающей изменение масштаба в 10–9 (миллиард) раз, т.е. 1 нанометр = 1 нм = 10–9 м, что составляет одну миллионную привычного нам миллиметра (для наглядности можно указать, что 1 нм примерно в 100 тыс. раз меньше толщины человеческого волоса).

На рис. 1 приведены размеры некоторых известных естествен-

ных и искусственных объектов в диапазоне размеров от 10 метров до 1 ангстрема. Напомним, что 1 ангстрем (1 Å = 10–10 м) в 10 раз

меньше нанометра и соответствует диаметру самого маленького из атомов (атома водорода). Нанотехнология оперирует процессами и объектами длиной от 1 до 100 нм. Верхняя граница нанообласти соответствует минимальным элементам в так называемых больших интегральных схемах (БИС), широко применяемым в полупроводниковой и компьютерной технике. Многие вирусы имеют размер 10 нм, а 1 нм почти точно соответствует характерному размеру белковых молекул (в частности, радиус двойной спирали молекулы ДНК равен именно 1 нм).

Нанотехнология объединяет все технические процессы, связанные непосредственно с атомами и молекулами [1].

Материаловедение – междисциплинарный раздел науки, объединивший в себе в течение последних десятилетий физику, химию, металлургию, полимерную науку и науку о керамике и все более тесно переплетающийся с биологией. Материаловедение занимается разработкой новых наночастиц, углеродных нанотрубк, полупроводящих и металлических нановолокон, нанокомпозитов, искусственных самоорганизующихся структур. Возможности нанотехнологии на современном этапе представлены в табл. 1.

6

Рис. 1. Наноразмерные объекты в окружающем нас мире [1]

К 2020 г. можно ожидать появления следующих типов материалов и технологий:

–ткани, интегрированные с источниками энергии, электронными приборами или оптическими волокнами;

–одежда, изменяющая свойства в ответ на воздействие внешних стимулов;

–широкое распространение «зеленых» методов производства, не требующих (или сводящих к минимуму) использования материалов и побочных продуктов;

–наноструктурированные покрытия, существенно улучшающие механические свойства изделий – прочность, жесткость, износоустойчивость и устойчивость к коррозии;

–органические компоненты электроники;

–массовое производство солнечных батарей на основе наноструктурированных композиционных, органических или биоимитирующих материалов;

–системы очистки воды на основе наноструктурированных активных мембран и фильтров.

1.1.Получение наноструктур

Внастоящее время тщательно изучаются двумерные процессы образования и осаждения (или, наоборот, отделения) кристаллов из наночастиц и нанокластеров разного типа (металлы, керамика, стекла и т.п.), а также характеристики поведения образующихся поверхностей при низких температурах, в каталитических реакциях

ит.п. Уже найдены целые классы материалов с перспективными оптическими и механическими свойствами (например, наностекла), обладающие очень высокой коррозионной стойкостью и твердостью, а многослойные нанопленки сложного вида обнаруживают интересные магнитные свойства.

Образование структур из нанокристаллических зерен позволя-

ет придавать материалам новые свойства. Предварительно необходимо изучить механизмы структурирования самих наночастиц и нанокластеров.

9

1.2. Методы измерения, обработки и моделирования для получения и использования наноматериалов

Сканирующие туннельные, зондовые и атомарно-силовые микроскопы позволяют проводить прямые измерения параметров некоторых объектов в нанометровом масштабе, а просвечивающие и сканирующие электронные микроскопы позволяют изучать особенности их строения. Работа с электронными микроскопами достаточно сложна (образцы требуют специальной предварительной обработки, а измерения должны производиться в вакууме), однако эти методы удобны, например, для прослеживания изменений размеров каких-либо нанокристаллических включений в исследуемых образцах. Особую важность эти задачи имеют в полупроводниковой технике, где еще предстоит разработать методики объединения (консолидации) в единое целое наноструктур, электронных цепей и датчиков разных типов. При этом для создания единой системы, конечно, можно комбинировать разные методы механической и электронной обработки: например, электрические цепи можно «спаивать», пользуясь щупом зондового микроскопа или оптическими переходными устройствами. Точность обработки и тщательность объединения микродеталей чрезвычайно важны для получения новых, сверхминиатюрных устройств и приборов.

Нанообработка при подходе «сверху вниз». Нанообработка при подходе «сверху вниз» относится, в первую очередь, к микрообработке полупроводниковых материалов, фотолитографии и т.п., где уже достигнута точность порядка 100 нм. При переходе к меньшим масштабам необходимо применять гораздо более сложные технологии (например, электронную или рентгеновскую литографию), что является препятствием для организации эффективных крупномасштабных промышленных производственных процессов.

Нанообработка при подходе «снизу вверх». Нанотехнологии,

основанные на подходе «снизу вверх», связаны с самосборкой требуемых структур и материалов. Например, в электронике можно самосборкой образовать квантовые точки, обладающие неожиданными физическими свойствами, что позволяет «удерживать» отдельные

10